林南倉井田充水特征分析及防治水建議

劉伯

（開灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063018）

1 概 況

林南倉井田位于河北省玉田縣薊玉煤田，是一座設計生產能力為每年120 萬t 的大型礦井。礦區地質和水文地質條件較為復雜，斷層多，井巷工程涌水頻繁，煤系地層中軟巖極發育，井巷工程施工條件差，維護成本高，防治水工作難度較大。加強礦區水文地質基礎工作，強化防治水工作管理，是礦井安全生產的現實需要。

林南倉井田是薊玉煤田東北部一孤立的向斜盆地，東西長約7 km，南北寬3.5 km，面積約22 km2。全區被新生界地層覆蓋，沖積層厚度為140～440 m，區內地形平坦，地表標高為1.0～6.91 m，區內無河流。

1.1 井田地質條件

林南倉井田屬華北晚古生代聚煤盆地成煤區域構造轉換部位，燕山沉降帶中段南緣，北依燕山褶皺帶，其特殊古地理位置決定了井田范圍內構造的特殊性和復雜性。井田主要含煤地層為石炭系上統至二疊系上統，石炭系上限為11 煤頂板細粉砂巖之頂界，與上覆二疊系地層呈整合接觸，下限為奧陶系灰巖頂面，二者呈平行不整合接觸。林南倉井田發育有多條大中型斷層，井下實見小構造非常發育，斷層發育密度大。井田內巖漿巖主要分布于西一采區西部，西二采區大部，西四采區和東一采區局部。

礦區煤系地層中沉凝灰巖（包括凝灰質粗砂巖、凝灰質中砂巖、凝灰質細砂巖、凝灰質粉砂巖） 十分發育。從A 層至12 煤頂板均有不同程度的凝灰質巖石，由于此類巖石極易風化和水化，對工程施工影響較大。主采煤層頂、底板巖層中粘土礦物含量高（主要為蒙脫石、高嶺石等），特別是煤6 頂底板、煤8-2 底板，煤9 頂底板、煤12 頂板，巖性松軟，遇水膨脹，極易片幫冒頂，巷道支護困難，變形嚴重，難以維護。

1.2 井田水文地質條件

林南倉井田賦存于一個不對稱的構造盆地之中，伏于第四紀沖積層之下，基巖面北高南低，高差達100～200 m。第四紀沖積層厚度變化較大（143～434 m），其底部卵、礫石層含水豐富。下伏奧陶紀灰巖含水豐富，井田西部斷層發育，有巖漿巖侵入，水文地質條件較為復雜。礦井直接充水含水層包括 5 煤頂板、5～12 煤、12～14 煤、14煤～K3 這4 個砂巖裂隙承壓含水層（組）；礦井間接充水含水層為第4 系孔隙含水層和奧陶系巖溶裂隙承壓含水層。由于沖積層內有較好的隔水層存在，深部含水層不能就近接受大氣降水的補給。沖積層和煤系各含水層之間均有較好的隔水層賦存，一般情況下地下水徑流自北向南主要沿層間流動。

歷史最大涌水量為19.53 m3/min（1981 年10月）。自建井至今，共發生突水淹井事故3 起（主井井筒施工期間），突水量大于1 m3/min 的事故28起（表1），最大突水量9.25 m3/min。其中斷層水害11 起，鉆孔水害2 起（井下鉆孔突水），煤層頂底板水害15 起，礦井突水水源來自于含煤地層內部的5 煤以上0～100 m 段砂巖裂隙含水層、5～12煤砂巖裂隙含水層、12～14 煤砂巖裂隙含水層和14 煤～K3砂巖裂隙含水層。

表1 突水點基本情況Table 1 Basic situation of water inrush point

2 礦井充水特征

礦井涌水水源主要為煤12 下伏地層，占礦井涌水量的70%以上。井下突水點大部分集中在12煤及其底板中。林南倉井田水文地質條件具有十分明顯的區域特征，礦井涌水受區域地質和工程地質特性的控制，礦井總涌水量不大(歷史最大涌水量為19.53 m3/min)，但突水點較多，且集中在構造發育部位，突水多發生在煤12 以下層位中。涌水點水量變小或消失較快，但不都是處于疏干狀態，多數情況是軟巖膨脹堵塞裂隙所致。工程施工中突水征兆不明顯，涌水具有突然性。奧陶系灰巖含水層是礦井主要的間接充水水源，礦井涌水最終來源主要為該含水層水。受巖石遇水軟化膨脹的影響，采空區充水系數一般較小（0.1～0.2）。

2.1 充水形式

礦區充水水源主要是砂巖裂隙含水層，而裂隙充水形式多以滴淋水向井下巷道涌水，一個新裂隙出水后，老裂隙出水點涌水量減小或消失，深部巷道涌水后，淺部巷道涌水即減小或無水，呈此起彼落現象。礦井坑道充水時以底板涌水和頂板淋水為主要形式。采面和巷道開拓后，坑道充水主要來源于5 煤頂板和12 煤至14 煤間的巖巷，二者占礦井總涌水量的70%～80%。地下水同層位聯系很強，不同層位聯系很弱，當深部采面或巷道出水后，同層位的淺部采面或巷道即被襲奪而干涸。煤系各含水層以露頭區補給為主，所以礦井涌水量在巷道或采面沿走向的采掘長度暫時不變時，礦井總涌水量將出現在暫時穩定階段，在此階段可出現強出水點襲奪弱出水點，邊部出水點襲奪中間部出水點的現象，而礦井總涌水量的變化甚微。由于井田內斷層較多，如果斷層將其它含水層的水導入巷道，將會局部的改變充水條件，使巷道充水條件復雜化。

2.2 涌水規律

全礦區礦井涌水量基本維持在比較穩定的水平，一般為7.5～12.0 m3/min，但各水平涌水量趨勢有所不同，-240 m 水平呈先升后下降趨勢，-400 m 水平逐漸下降，-500 m 水平呈先升后下降趨勢，-650 m 水平的涌水量還在增大。礦井涌水量的變化規律與開采面積、開拓長度、產量、開采深度等因素有一定關系。

（1） 礦井涌水量與開采面積、開拓長度、產量的關系。由于礦井涌水量主要由14 煤～K3、12～14 煤2 個含水層涌水組成，回采工作面涌水量來源于5 煤～12 煤含水層，此含水層含水性較弱，工作面單位涌水量為0.1～0.5 m3/min，而礦井涌水量為6～19 m3/min，故礦井涌水量與開采面積、產量關系不大。礦井涌水量主要與開拓活動有關，由于含水層整體含水性較弱，補給差，富水性不均勻，造成了突水點水量穩定性較差，所以礦井涌水量與開拓長度關系不密切，與開拓層位和開拓工程的連續性密切相關。

（2） 礦井涌水量與開采深度的關系。-240 m水平開拓工程完工后，水平最大涌水量13.78 m3/min （1979 年 12 月），-400 m 水平開拓工程基本完工后，最大涌水量10.95 m3/min（1982 年11月），水源皆來自12 煤～14 煤、14 煤～K3含水層（不包括5 煤以上0～100 m 段含水層），可以看出在礦井基建階段由于含水層含水性不豐富（含水中等），礦井涌水量受含水層靜儲量影響較大，以消耗含水層靜儲量為主。含水層擴展半徑進展緩慢，影響較之前者不成比例，所以就造成了礦井涌水量與開采深度關系不大，但隨礦井開采年限加長，礦井涌水量變為以后者影響為主，并隨開采深度增大而增大。

3 有待研究的水文地質問題

3.1 -240 西翼回風巷突水水源的確定

1991 年2 月，在-240 西翼回風巷掘進中發生突水。該巷道沿14 煤層掘進，在連續穿過5 個小斷層后發生滯后底鼓突水，最大突水量達9.25 m3/min。經探查，巷道突水位置前方48 m 處為F2斷層，突水原因為由斷裂破碎帶導致強烈底鼓引起的，但對突水水源沒有進行深入的分析和研究，對礦井水文地質條件的劃分留下技術上隱患。

3.2 2123 工作面風道突水水源的確定

2013 年4 月，2123 風道掘出中發生突水，最大水量2.0 m3/min。在隨后進行的鉆探探查工作中，與突水點相距僅25 m 的中1 個鉆孔涌水量水達2.4 m3/min，但突水點水量沒有變小。出水形式表現為煤12 頂板集中出水，但水質類型卻為底板含水層水，由于沒有臨近的水文地質長期觀測孔，沒有獲得地下水位變動的相關資料，其突水水源難以確定。

3.3 軟弱地層對礦井防治水工作影響的分析

林南倉井田煤層頂、底板巖性多為凝灰質的細砂巖、粉砂巖或粘土巖，泥質膠結。特別是煤6 頂底板、煤8-2 底板、煤9 頂底板、煤12 頂板，巖性松軟，遇水膨脹，極易片邦冒頂。軟巖地層對防治工作的影響也是明顯的，如容易形成抽冒，形成局部積水體，使防水煤巖柱尺寸需要增大，探放水鉆孔施工成孔困難導致成本增加，探放水鉆孔堵塞導致泄水效果差等。此外，由于軟巖地層吸水后膨脹，具有隔水性能，大大增加了工作面開采后形成“離層積水”發生意外水害事故可能性。林南倉井田存在的軟巖地層對礦井防治水工作的影響程度還沒有進行過系統的研究和評價，有必要開展相應的工作。

3.4 煤12 底板～K3 含水層水位異常問題

煤12 底板～K3含水層是礦井開采主要直接充水含水層，生產中出水事故多發生在該層位。隨著礦井開采范圍增大其水位本應大幅度的降低，但從目前資料分析，其水位下降并不符合礦區規律，下降幅度偏小，特別是在F1、F2 斷層區域存在高水位異常（圖1），是煤系地層中可能存在導水陷落柱主要特征之一，應引起重視。

圖1 林南倉井田煤12 底板～K3 含水層等水位線Fig.1 Isowaterline of 12 coal floor～k3 aquifer in Linnancang minefield

4 強化礦井防治水工作的建議

4.1 提高防治水工作的針對性

（1） 礦井水文地質工作的開展應結合井田實際情況進行，制定一套適用礦井生產需要的防治水工作模式和工作方法，即制定該礦井防治水工作規范。

（2） 建立健全水文地質動態觀測系統，特別是煤12 底板含水層和奧陶系灰巖含水層，應形成水文動態觀測網，以便能準確把握其對礦井開采的威脅和影響程度。

（3） 應加強含水層之間的水力聯系研究，特別是煤12 底板以下砂巖至奧陶系灰巖之間的水力聯系，其對工作面涌水量或突水點水量大小有決定作用，關系著防治水措施的制定和排水設施的準備工作。

（4） 老空積水探放放工作是礦井防治水的重點之一，應及時進行積水資料的分析整理，嚴格按《煤礦防治水細》要求組織進行探放水。

（5） 井下突水點通常為小～中等突水點，突水量不會太大，一般發生在構造發育部位，局部（單個工作面） 排水設施可按此考慮。

4.2 不斷強化水文地質基礎工作

強化水文地質基礎工作，加強防治水工作的日常管理，及時、動態地進行水文地質資料分析工作，找出礦區水文地質工作中存在的重點和難點問題，并采取針對性措施。

4.3 防治構造出水是井田防治水工作的重點和難點

（1） 斷層水害防治是林南倉礦防治水工作的重點，井田內大、中型斷層發育，落差大于20 m的有18 條，最大落差達到138 m，其中有7 條大斷層直接切至奧灰巖。特別是對一些落差較大的張性斷裂，必須嚴格落實相關規定，做好超前探測工作和煤柱留設工作，新采區投入和水平延深中要超前考慮區域性防治水工作。

（2） 陷落柱是本礦井開采過程中不能回避的問題，雖然到目前為止尚未有資料記錄陷落柱的存在，但礦井有幾次突水事故中有奧陶系灰巖水參與的現象，且原因沒有查明。如1992 年12 月在-400 m 西二軌道發生突水，水量5.5 m3/min；1993年1 月在-240 m 西翼回風巷發生突水，水量為9.25 m3/min；1998 年 3 月-400 水平東一軌道上山就曾發生過裂隙突水，最大水量4.33 m3/min，水源為奧灰水；2013 年4 月2123 風道突水，水量2.0 m3/min，隨后在對出水點探查時，鉆孔涌水達2.4m3/min （其間突水點水量無變化），且出水量長期穩定，水質類型與奧陶系灰巖水相近。因此，建議應開展相應工作，立項進行了研究。

4.4 工程地質條件對礦井防治水工作有重要影響

（1） 井田工程地質條件對礦井防治水工作有較大影響，特別是軟巖和膨脹性巖石問題，對地下水的活動有一定的控制作用，有必要加大礦區工程地質條件的研究工作，為搞好礦井防治水工作提供更可靠的基礎依據。

（2） 探放水鉆孔施工中應認真分析鉆孔所穿過的地層，特別是凝灰質巖石，從鉆孔結構、護壁管長度與深度、安全技術措施等方面加以考慮，確保工程施工安全和探放水效果。

5 結 語

林南倉礦水文地質條件較為復雜，區域特殊的工程地質條件給礦井防治水工作帶來了較大的困難，多年的開采實踐表明，只有結合礦區的具體情況才能有針對性地做好防治水工作，因此，相關從業人員應該加強對礦區水文地質情況的研究，不斷提高認識，總結經驗，做好礦井防治水工作。